Bài giảng môn điện tử công suất: nghịch lưu và biến tần

Nghịch lưu: biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều Biến tần: thay đổi tần số dòng điện xoay chiều .........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

CHƯƠNG 5 NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

• Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện

áp xoay chiều một pha hoặc ba pha

• Bộ phận quan trọng là bộ công tắc điện tử công suất lớn

thường sử dụng như: Transistor, Mosfet, SCR, IGBT … công suất lớn

5.1 Khái niệm

• Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và

+ phân loại theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu:

nghịch lưu nguồn áp, nguồn dòng hay cộng hưởng

Cách biến đổi điện áp DC thành AC

- Xét mạch điện được nốivới nguồn DC

• Vo là điện áp trên tải

• Xét trường hợp 1,3 Dòngđiện qua tải R đi theo 2 chiều

• Mạch tạo điện áp ratrên tải dạng xungvới chu kỳ T, tần số f

• Tần số sẽ được thayđổi khi khoảng thờigian (bật – tắt) cặpcông tắc thay đổi

• Như vậy: từ điện

một chiều có thểbiến đổi thành điện

AC có tần số

• Nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng (L lớn)

và dạng dòng điện của nghịch lưu iN có dạng

xung vuông.

Hoạt động:

• Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2:

+) Dòng điện qua van T1 là iN = id = Id Đồng thời dòng qua tụ

C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+”

ở bên trái và dấu “-” ở bên phải.

+) Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không

Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên.

• Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của

tụ C từ cực “+” về cực “-” Dòng phóng của tụ làm T1, t2 khóa lại.

• Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời Sau đó tụ

C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ”

ở bên phải và cực tính “ – ” ở bên trái, dòng nghịch

lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu Đến thời điểm t = t2 người

ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước.

• Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ

chuyển mạch cho các tiristo, hỗ trợ đổi chiều dòng điện qua tải

Nghịch lưu dòng ba pha

• Ld có trị số đủ lớn để tạo nguồn dòng

• Để khoá được các tiristo thì phải có các tụ chuyển mạch C1, C3, C5

• Đảm bảo khoá được các tiristo chắc chắn

và tạo ra dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện của các tiristo phải tuân theo đồ thị:

- mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ=120 0 giống như dòng 3 pha

- Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn

ra đối với các van trong cùng một nhóm

• Xét trường hợp 2 van dẫn như hình vẽ:

• Hoạt động:

- Xét khoảng thời gian 0 ÷ t1 : lúc này T1 và T6 dẫn Dòng sẽ qua T1, Za, Zb và T6 Đồng thời sẽ có dòng nạp cho tụ C1 qua T1- C1 – T6 Khi tụ C1 được nạp đầy thì dòng qua tụ bằng không Tụ C1 được nạp với dấu điện tích ( như hình ) sẽ chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khoá T1

- Tại thời điểm t = t2, khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại Tương tự như vậy khi T3 và T2 dẫn ( t2 ÷ t3 ) thì tụ C3 được nạp với dấu hiệu điện áp để chuẩn bị khoá T3

- Đối với nhóm catôt chung T2, T4, T6 quá trình chuyển mạch cũng diễn ra như vậy: Ví dụ tụ C5 được nạp

trong khoảng (t1-t2) khi T1 và T2 dẫn) với dấu đảm bảo

để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3

5.3 Nghịch lưu áp

• Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý

• Nghich lưu áp 1 pha.

- Tụ điện C để tạo nguồn áp

-T1, T2, T3, T4: Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc

điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải

- Zt: Là phụ tải gồm L mắc nối tiếp với R

- D1, D2, D3, D4: Là các đi ốt dẫn dòng khi tải trả năng lượng

về nguồn nuôi

- is: Là dòng điện cấp từ nguồn cho bộ biến đổi

+ Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các IGBT

dẫn dòng).

+ Khi is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các điôt dẫn

dòng )

- C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và dự trữ

năng lượng dưới dạng điện trường

• Tại thời điểm trước t=0, T3, T4 đang dẫn, dòng điện qua tải theo hướng B-A

• Tại t = 0 cho xung mở T1 và T2 :

- Tại (0;t1) T3, T4 đã khóa, nhưng do tải có tính cảm, dòng không đảo chiều ngay

mà hoàn lại nguồn qua D1, D2, lúc này T1,T2 đã được kích xung nhưng chưa dẫn – giai đoạn này là hoàn năng lượng

- Đến thời điểm t = t1, it = 0, D1 và D2 bị khoá lại, T1 và T2 mở dòng tải i > 0 tăng dần và chảy theo chiều từ A-B

• Tại thời điểm t2(t=T/2) cho xung mở T3 và T4 đồng thời ngắt xung vào cực điều khiển T1 và T2 nên T1; T2 bị khoá lại Lúc này dòng tải chảy qua D3 và D4 khiến cho T3 và T4 chưa kịp mở đã bị khoá lại

• Khi t = t3, it = 0, lúc này van T3 và T4 sẽ mở cho dòng điện đi qua với it < 0 chảy theo chiều từ B-A

• Dòng tải it biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và -Im

• Hoạt động:

Biểu thức dòng điện và điện áp tải

• Điện áp trên tải là các chuỗi xung vuông không phụ thuộc vào đặc tính tải giá trị hiệu dụng điện áp tải:

• Với tải R+L dòng tải có dạng hàm mũ, do vậy muốn xác định được biểu thức tính dòng điện tải ta có thể vận dụng phương pháp toán tử:

• Khi van T1 và T2 dẫn cho dòng điện qua tải:

Bộ nghịch lưu áp 3 pha

• Các van công suất là: SCR, MOSFET, Transistor Công suất, IGBT…

• Bộ đổi điện 3 pha gồm 3 bộ

đổi điện 1 pha

• Mạch gồm 6 van công suất

và 6 diod kết hợp Các van

dẫn, ngưng tuần hoàn theo

cách sắp xếp tuần tự để tạo

dạng sóng ra mong muốn

• Xét mạch sử dụng van là IGBT

• Trường hợp các van dẫn 180 0

- Van T1 và T4 dẫn lệch nhau một góc 180 0 để tạo nên pha A.

- T3 và T6 dẫn lệch nhau một góc 180 0 để tạo nên pha B

- T2 và T5 dẫn lệch nhau một góc 180 0 để tạo nên phaC

• Theo giản đồ thì tại các thời điểm

sẽ có 3 van cùng dẫn

• Xét đối vởi tải pha a:

• Dạng điện áp trên tải Za

Tương tự ta có điện áp trên tải pha b,c

Trường hợp chỉ có 2 van dẫn

• Khi chỉ có 2 van dẫn, điện áp rơi trên tải là điện áp dây

• Van lẻ (S1,3,5) dẫn trước điện áp trên tải là +E/2

• Van chẵn (S2,4,6) dẫn trước, điện áp trên tải là –E/2

• Khi đó các van sẽ dẫn lệch nhau 1200

Ví dụ: Điện áp rơi trên tải za (pha a là T1, T4)

Điện áp trên tải pha a

5.4 Bộ biến tần

• Bộ biến tần là mạch có nhiệm vụ biến đổi điện thế AC đầu vào có

tần số f1 thành điện thế AC ngõ ra tần số f2 có thể điều chỉnh được

• Có 2 loại biến tần: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

✓ Biến tần trực tiếp: là loại biến đổi từ điện thế AC (f1) có sẵn thành điện thế AC (f2)

✓Biến tần gián tiếp : biến đổi từ điện thế AC chỉnh lưu thành điện thế DC

(nhờ mạch chỉnh lưu) hoặc từ nguồn điện DC cho sẵn, rồi sau đó biến đổi điện DC thành điện AC có tần số mong muốn.

5.3.1 Biến tần trực tiếp

• Biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều có tần số f1 sang nguồn xoay chiều

có tần số fr không qua khâu trunggian

• Bộ biến tần gồm hai bộ

chỉnh lưu nối song song

ngược

• Các bộ chỉnh lưu này có

thể là sơ đồ ba pha có điểm

trung tính, sơ đồ cầu, hoặc

các bộ chỉnh lưu nhiều pha

Xét biến tần một pha: tải thuần trở

• Các SCR cùng một nhóm được điều khiển theo quy luật trong 2,5 chu kỳ của nguồn điện lưới đầu vào

• Theo dạng sóng điện áp biểu diễn trên hình chu kỳ của điện

áp ra lớn gấp 5 lần chu kỳ của nguồn điện áp vào(tức là tần số đầu ra bằng 1/5 tần số đầu vào)

• Trong 2,5 chu kỳ của điện áp nguồn, Các SCR

nhóm P được điều khiển , tạo ra nửa chu kỳ

điện áp dương của điện áp đầu ra (trên R) (D1

dẫn khi U21>0, D2 dẫn khi u22)>0)

• Trong 2,5 nửa chu kỳ sau chỉ có nhóm N dẫn

(D3 dẫn khi U21<0, D4 dẫn khi U22<0) điện

để tổng hợp thành nửa chu kỳ âm của điện áp

ra

• Để giảm thành phần sóng hài bậc cao và dạng sóng dòng điện tải tiến tới gần sin trong các trường hợp tải có tính chất cảm

người ta có thể thay đổi góc mở các van theo quy luật hình sau:

Đối với mạch 3 pha

• Điện áp trên tải (u2) gồm hai nửa sóng là dương và âm

- Nửa sóng dương được tạo ra khi nhóm van I làm việc (T1, T2, T3) Nửa sóng âm được tạo ra khi nhóm van II (T4, T5, T6) làm việc Lần lượt đóng

mở các nhóm van, ta sẽ tạo ra trên tải một điện áp xoay chiều.

• Lần lượt đóng mở các nhóm van, ta sẽ tạo ra trên tải một điện

áp xoay chiều có giá trị:

• Dạng điện áp ra với các luật điều khiển khác nhau

• Một số mạch biến tần 3 pha:

• Mạch biến tần trực tiếp

sử dụng quá nhiều van công suất dẫn đến phứctạp, khó điều khiển nên

ít được sử dụng trongthực tế

4.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

• Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều

có V1,f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr biến đổi, qua khâu trung gian một chiều

• Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các

thiết bị nghịch lưu

• Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp:

• Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khâu cơ bản.

✓ Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều.

✓ Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu.

✓ Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ Thiết bị nghịch lưu là các van điện tử công suất

• Do tính chất khác nhau của các khâu trung gian ta có hai loại biếntần là biến tần áp và biến tần dòng

Sơ đồ mạch biến tần thực tế

Cấu tạo biến tần:

• Về cơ bản, máy biến tần được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính : Bộ

phận chỉnh lưu, bộ phận nghịch lưu và CPU điều khiển.

• Bộ phận chỉnh lưu(AC-DC) : có chứa các Diot bán dẫn nhằm mục

đích chuyển đổi nguồn điện nhận vào thành nguồn điện 1 chiều sau khi được nắn phẳng.

• Bộ phận nghịch lưu(AC-DC) : gồm nhiều công tắc có thể on/off rất nhanh IGBT để đưa nguồn điện trở về xoay chiều Đây là bộ phận chính giúp thay đổi tần số điện áp để đưa vào động cơ hay hệ thống máy của bạn, tùy theo thứ tự đóng ngắt và độ lớn nhỏ của các công tắc.

• CPU điều khiển : CPU này nhận các thông tin từ các bộ phận trên và xuất ra màn hình chính, từ đây người điều khiển có thể tiếp nhận

thông tin và điều khiển nguồn điện thích hợp xuất ra Ngoài ra, máy biến tần của chúng tôi còn tích hợp nhiều module truyền dữ liệu đến máy tính cũng như các thiết bị khác, từ đó bạn có thể điều khiển cả

hệ thống từ xa.

Nguyên lý hoạt động

• Máy biến tần hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi tần số(f) của

điện đầu vào theo công thức tính tốc độ của động cơ:

n=n1(1-s), trong đó: n1=60f/p

Thực ra có thể thay đổi hệ số trượt(s) và số cực(p) để thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều(N) nhưng 2 phương pháp kể trên đều kém hiệu quả và gặp nhiều khó khăn khi thực hiện

Vậy nên, điều chỉnh tần số(f) là phương pháp tốt nhất hiện nay

• Đầu tiên, máy biến tần sẽ nhận dòng điện từ nguồn trực tiếp,

có thể là dòng điện 1 pha hoặc 3 pha … Sau đó dòng điện này

đi vào các tụ điện và nhờ có bộ chỉnh lưu(AC – DC) sẽ được chuyển thành nguồn điện 1 chiều bằng phẳng Việc này đòi hỏi nguồn điện đầu vào phải là nguồn có tần số và điện áp cố định, thông thường là 380V và 50Hz

• Tiếp theo: Điện áp sau khi được chỉnh lưu về 1 chiều sẽ được bộ

nghịch lưu(DC – AC) biến đổi thành loại 3 pha xoay chiều đối xứngnhờ các van bán dẫn công suất (IGBT), bộ biến đổi này được trang bị cổng cách điện, các công tắc nhỏ có khả năng on/off rất nhanh tạo ra dạng sóng và đầu ra mong muốn để đưa vào sử dụng

• Máy biến tần có khả năng điều chỉnh tần số về 0Hz hoặc tăng lên

400Hz(một số loại đặc biệt có thể điều chỉnh tần số lên đến 590Hz thường được sử dụng trong công nghiệp nặng)

Dạng sóng đầu ra được tạo ra từ các hoạt động bật tắc của các van bándẫn trong máy biến tần

• Trên hình là loại biến tần 1 pha 220vac

sang 3 pha 220vac, điều khiển cho động

cơ 3 pha

• L1, L2, L3 là nguồn cấp 3 pha 220VAC

hoặc 1 pha 220VAC cấp vào dây L1, L3

• T1, T2, T3 là dây nối vào động cơ 3 pha Nếu động cơ có 6 dây thì ta đấu tam giác

rồi mới đấu vào biến tần.

• Về cơ bản thì sau khi nối nhấn nút

Run/STOP trên bàn phím là có thể chạy

và dừng được Muốn tăng giảm tốc độ thì chỉnh biến trở trên bàn phím

• Sơ đồ cơ bản của một biến tần:

-Chân AGND, ACI, AVI, 10V là các chân ngõ vào

analog dùng để thay đổi tần số, tốc độ motor

Các tín hiệu này có thể là 4-20mA (AGND +

ACI), 0-10VDC (AGND + AVI), biến trở (AGND +

AVI + 10V).

- RA và RB là chân ngõ ra tiếp điểm relay, có

thể cài là tín hiệu khi biến tần RUN, STOP hoặc

báo lỗi, tùy chọn.

- AO và AGND là tín hiệu ngõ ra analog

0-10VDC thường để kết nối với 1 bộ hiển thị ngoài

báo tốc độ motor chạy, hoặc làm tín hiệu điều

4.3 Các phương pháp điều khiển điện thế của

bộ biến đổi điện.

• Trong hầu hết ứng dụng của bộ đổi điện đòi hỏi cần có sự điềukhiển điện thế ngõ ra

• Có nhiều cách để thực hiện sự điều chỉnh điện thế AC ngõ ra, nhưng thường được sắp thành 3 loại sau:

- Điều khiển điện thế DC cấp vào bộ đổi điện

- Điều khiển điện thế AC ngõ ra bộ đổi điện

- Điều khiển điện thế trong bộ đổi điện

a Điều khiển điện thế DC cấp điện

- Do điện thế ra bộ đổi điện tỉ lệ với điện thế vào nên sự thay đổiđiện thế DC cấp điện là cách đơn giản nhất để điều khiển điệnthế ra

- Nếu nguồn cấp điện là DC, kế đó sử dụng 1 mạch chopper đểlàm thay đổi điện thế DC

- Ta cũng có thể sử dụng nguồn cấp điện DC từ mạch chỉnh lưu

có điều khiển

b Điều khiển điện thế AC từ bộ đổi điện

Trong phương pháp này, sử dụng mạch điều thế AC giữa bộ đổiđiện và tải để điều khiển điện thế AC của bộ đổi điện và do đóđiều khiển điện thế ngõ ra

c Điều khiển điện thế trong bộ đổi điện

• Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM là phương pháp thông dụng

để điều khiển điện thế trong bộ đổi điện